Energiewende mit Bitcoin: Nachhaltige Lösung oder Illusion? - Transforming Economies

Prof. Dr. Marcel TyrellUniversität Witten/Herdecke

Dr. Jona StinnerUniversität Witten/Herdecke

Maximilian GillUniversität Witten/Herdecke

Unterstützt oder belastet Bitcoin-Mining die Umwelt und nachhaltige Entwicklung? Auf den ersten Blick scheint die Antwort eindeutig: Schätzungen des Forschers Alex de Vries und des Cambridge Centre for Alternative Finance (CCAF) legen nahe, dass Bitcoin-Mining jährlich

• etwa so viel Strom verbraucht wie Polen
• CO₂-Emissionen auf dem Niveau Griechenlands verursacht
• Elektroschrott in einer Größenordnung produziert, die der Menge kleiner elektronischer Geräte in den Niederlanden entspricht

Diese Zahlen erwecken den Eindruck, dass Bitcoin-Mining unweigerlich mit erheblichen negativen Auswirkungen auf die Umwelt verbunden ist. Gleichzeitig hat sich in den letzten Jahren eine wachsende Gruppe von Befürwortern einer gegenteiligen Sichtweise herausgebildet.

Bitcoin-Mining als Katalysator der Energiewende?

Befürworter argumentieren, dass in einer Gesamtbetrachtung die Umweltauswirkungen von Bitcoin-Mining nicht negativ sind, sondern Mining sogar als Katalysator für die Energiewende dienen könnte.

Der Schlüssel zu dieser Argumentation liegt in der Nutzung von Überschussenergie aus erneuerbaren Quellen. Diese könnte für das Bitcoin-Mining eingesetzt werden anstatt verloren zu gehen. Laut den Befürwortern würde ein solcher Ansatz nicht nur das Bitcoin-Mining selbst nachhaltig gestalten, sondern gleichzeitig den Ausbau erneuerbarer Energien fördern, indem zusätzliche wirtschaftliche Anreize geschaffen werden.

Diese Argumente stammen aus verschiedenen Quellen. Erwartungsgemäß entstammen die lautesten Stimmen der Bitcoin-Mining-Lobby, wie etwa dem Texas Blockchain Council. Aber auch politische Akteure mischen sich in die Debatte ein. So behauptete der neue US-Gesundheitsminister Robert F. Kennedy Jr. in einem Artikel im The Economist: „A system with more renewable generation and bitcoin miners is far less carbon-intensive than a system with less renewable generation and peaker plants.“

Neben Berichten von Institutionen wie dem World Economic Forum oder der Beratungsfirma KPMG haben zudem Medien wie Forbes und The Independent diese Argumentation aufgegriffen und beziehen sich dabei auch auf Erkenntnisse wissenschaftlicher Artikel. In Nordamerika ist Bitcoin-Mining bereits fest in die Diskussion um die Energienutzung integriert und wird zunehmend in die Stromnetzsysteme eingebunden. Aber auch in Deutschland wird dieses Konzept nun aufgegriffen, wie ein Pilotprojekt der Telekom in Kooperation mit dem Bankhaus Metzler zeigt.

Überschussenergie und ihre Folgen

Überschussenergie entsteht, wie der Begriff nahelegt, durch einen Angebotsüberschuss, wenn Energieproduktion und -verbrauch nicht im Einklang stehen. Dieses Phänomen tritt besonders häufig bei erneuerbaren Energien auf, deren Erzeugung von variablen Wetterbedingungen wie Sonne und Wind abhängig ist. Die Erzeugungskapazitäten lassen sich nicht flexibel an die Nachfrage anpassen. In manchen Phasen führt dies trotz ausreichenden Kapazitäten zu einer geringen Energieproduktion, sogenannten Dunkelflauten, während in anderen Zeiten ein Überschuss entsteht.

Mit steigendem Anteil an erneuerbaren Energien wird das Stromnetz zunehmend durch überschüssige Energie belastet, was negative Strompreise und finanzielle Verluste für Anlagenbetreiber zur Folge hat. Dieses Problem ist in Deutschland aufgrund des starken Ausbaus erneuerbarer Energien und ihres mittlerweile hohen Anteils am Energiemix inzwischen besonders ausgeprägt. Im Jahr 2024 wurden an deutschen Handelsplätzen in über 457 Stunden Strom zu negativen Preisen gehandelt – ein neuer Höchstwert. Hier bietet, so die These der Bitcoin-Befürworter, das Bitcoin-Mining eine einzigartige Lösung.

Warum Miner günstige Energiequellen suchen

Das Bitcoin-Netzwerk wurde als Peer-to-Peer-System entwickelt, um digitale Transaktionen ohne zentrale Intermediäre wie Banken zu ermöglichen. In diesem System bezeichnet das „Mining“ den Prozess der Validierung und Ausführung von Transaktionen.

Miner konkurrieren mit großer Rechenleistung um das Recht, den nächsten Block an Transaktionen zu einer Kette von Blöcken (der sogenannten Blockchain) hinzuzufügen, um eine Belohnung in Form neu geschaffener Bitcoins zu erhalten. Die Wahrscheinlichkeit, diese Belohnung zu erhalten, hängt ausschließlich von der eingesetzten Rechenleistung ab.

Daher sind Miner stets auf der Suche nach den günstigsten Energiequellen. Niedrigere Energiekosten bieten einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil, da Miner so mehr Rechenleistung für die gleichen Kosten erzeugen und ihre Chancen auf Belohnungen erhöhen können.

Wie Überschussenergie für Mining genutzt werden könnte

Bitcoin-Miner sind äußerst mobil und können ihre Kapazitäten schnell hoch- oder herunterfahren. Diese Eigenschaften machen sie besonders geeignet als Abnehmer von Überschussenergie. Studien bestätigen, dass dies nicht nur eine theoretische Überlegung ist: Beispielsweise Halaburda & Yermack und Stinner & Tyrell zeigen in verschiedenen Kontexten, dass Bitcoin-Miner im großen Stil Überschussenergie nutzen, sofern sie verfügbar ist.

Laut den Befürwortern führt dies zu zwei Effekten: Erstens wird Bitcoin-Mining durch die Nutzung von Überschussenergie, die keine zusätzlichen CO₂-Emissionen erzeugt, umweltfreundlicher. Zweitens monetarisieren Miner die Überschussenergie und steigern die Profitabilität von Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien. Diese höheren Erträge ziehen wiederum Investitionen an und treiben den Ausbau erneuerbarer Energieproduktion voran. Dies könnte den Übergang von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energien beschleunigen – maßgeblich getrieben durch das Bitcoin-Mining.

So verlockend diese Versprechen klingen mögen, so sind sie doch unseres Erachtens erheblichen Einschränkungen unterworfen. Während die beschriebenen Mechanismen nicht falsch sind, berücksichtigen sie nicht die breiteren Dynamiken des Bitcoin-Mining-Marktes und seine Rolle in der Energiewende.

Aber: Wettbewerbsdynamik berücksichtigen

Es ist entscheidend, die Wettbewerbsdynamik des Bitcoin-Mining einzubeziehen. In diesem nahezu vollständig wettbewerblichen Markt werden Ressourcen wie Energie und Hardware von Minern zum digitalen „Schürfen“ eingesetzt, wobei die Gesamtkosten des Minings aufgrund der hohen Wettbewerbsintensität dazu tendieren, den Belohnungen zu entsprechen.

Steigen die Belohnungen für Miner, etwa durch einen höheren Bitcoin-Preis, so zieht dies neue Miner an oder führt dazu, dass bestehende Miner ihre Kapazitäten ausweiten. Ein Beispiel verdeutlicht dies: Derzeit belaufen sich die täglichen Belohnungen für Miner auf etwa 40 Millionen Euro. Liegen die Gesamtkosten für Energie und Hardware lediglich bei 30 Millionen Euro, ergibt sich eine Gewinnmarge von 10 Millionen Euro. Aufgrund der geringen Markteintrittsbarrieren zieht diese Profitmöglichkeit zusätzliche Miner an, die weitere Ressourcen in den Markt bringen.

Der Prozess setzt sich fort, bis die Gewinnmarge vollständig ausgeschöpft ist und die Kosten des Minings den Belohnungen entsprechen. In diesem Punkt ist das Marktgleichgewicht erreicht. Wir haben also den klassischen Fall eines Wettbewerbsmarktes.

Nicht die Menge ist relevant, sondern die Gesamtkosten

Verbessern Miner ihre Produktionseffizienz – beispielsweise durch den Zugang zu günstigerer Energie – führt dies zu einem Anstieg des Ressourceneinsatzes, bis ein neues Gleichgewicht erreicht ist, bei dem die erwarteten Mining-Kosten wieder den erwarteten Mining-Belohnungen entsprechen. Diese Wettbewerbsdynamik ist kein Nebeneffekt, sondern ein integraler Bestandteil des Sicherheitsmechanismus von Bitcoin. Sie verdeutlicht einen wichtigen, oft übersehenen Punkt: Die Sicherheit des Systems in der Abwicklung der Transaktionen hängt nicht von der Menge der eingesetzten Hardware, Energie oder Berechnungen ab. Stattdessen wird sie ausschließlich von den Gesamtkosten dieser Ressourcen bestimmt.

Die Nutzung grüner Überschussenergie bedeutet daher nicht automatisch, dass fossile Energie im gleichen Umfang aus dem System verdrängt wird. Stattdessen kommt es zu einer Substitution eines Kostenäquivalents. Überschussenergie, die keine alternative Verwendungsmöglichkeit hat und daher keine Opportunitätskosten hat, ist günstiger als der bestehende Energiemix. Es wird daher nur ein kleiner Teil des bestehenden, teureren Energiemix durch eine große Menge günstiger Überschussenergie substituiert. Bei gleichen Blockbelohnungen verwenden Miner dann im Marktgleichgewicht mehr Energie und Hardware.

Auswirkungen für die Umwelt

Für die Umwelt hat diese Dynamik zwei Auswirkungen. Einerseits sinken die CO₂-Emissionen des Systems durch die Nutzung überschüssiger erneuerbarer Energien. Andererseits steigt das Volumen des Elektroschrotts, da mehr Mining-Geräte eingesetzt werden.

Der sich daraus ergebende Netto-Umwelteffekt wird dann von zwei Faktoren bestimmt: dem Preisverhältnis zwischen Überschussenergie und dem Energiemix sowie dem Anteil erneuerbarer Energien im Energiemix. Je grüner der bestehende Energiemix ist, desto weniger Raum für Substitution. Je größer die Preisdifferenz, also je größer das Einsparpotenzial durch die Nutzung von Überschussenergie gegenüber der Nutzung des bestehenden Energiemix, desto größer der Anstieg an eingesetzter Hardware im System.

Diese Faktoren bestimmen, wie groß die CO₂-Reduktion und der gleichzeitige Anstieg des produzierten Elektroschrotts sind. Paradoxerweise kann also eine Zunahme der Verfügbarkeit von Überschussenergie unter plausiblen Bedingungen sogar den gesamten ökologischen Fußabdruck des Systems erhöhen.

Bislang kein Rückgang fossiler Energien festzustellen

Das zweite zentrale Argument für Bitcoins potenziell positive Umweltauswirkungen ist die Förderung des Ausbaus erneuerbarer Energien durch die Monetarisierung von Überschussenergie durch Miner. Um einen positiven Gesamteffekt für die Gesellschaft zu erzielen, müssten die Vorteile dieses Ausbaus allerdings die direkten und indirekten Umweltschäden des Bitcoin-Minings überwiegen.

Der Ausbau erneuerbarer Energien ist jedoch kein Selbstzweck. Der Umwelt kommt er nur dann zugute, wenn dadurch fossile Energie ersetzt und eingespart wird. Dem Bitcoin-Mining positiv angerechnet werden können daher Einsparungen fossiler Energie, die dadurch entstehen, dass mithilfe der zusätzlichen Anreize des Minings erneuerbare Energieprojekte umgesetzt werden, die es ohne diese nicht geben würde.

Bislang fehlt für diese Substitution allerdings die Evidenz. Selbst in Texas, wo sich viele Bitcoin-Miner nach dem Bitcoin-Mining-Verbot in China 2021 angesiedelt haben und gleichzeitig ein starker Ausbau erneuerbarer Energien stattfand, ist kein entsprechender Rückgang der Energieproduktion aus fossilen Quellen zu verzeichnen.

Trotz eines erheblichen Wachstums bei Wind- und Solarenergie ist die durchschnittliche Netto-Stromerzeugung aus anderen Quellen zwischen 2019 und 2023 nicht zurückgegangen. Tatsächlich zeigt das Jahr 2023 die höchste durchschnittliche Netto-Stromerzeugung aus Quellen jenseits von Wind und Sonne während der Morgen- und Abendstunden. Dies wirft Zweifel daran auf, ob durch Bitcoin-Mining wirklich fossile Brennstoffe substituiert werden.

Selbst unter der Annahme, dass ein Substitutionseffekt existiert, der bislang lediglich empirisch nicht nachweisbar war, bleiben zwei zentrale Herausforderungen bestehen. Das gleichzeitige Auftreten von Überschussenergie aus erneuerbaren Quellen und einer fortwährenden Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen lässt sich auf zwei strukturelle Missverhältnisse im Energiemarkt zurückführen.

Geografisches Missverhältnis

Erstens besteht ein geografisches Missverhältnis zwischen der Erzeugung erneuerbarer Energien und der Nachfrage. Erneuerbare Energien werden häufig in Regionen produziert, die weit entfernt von den Orten mit signifikanter Energienachfrage liegen. Ein Beispiel hierfür ist die Provinz Sichuan in China, wo starker Regen im Sommer eine Überproduktion an Wasserkraft verursacht, die lokal nicht genutzt werden kann. Aufgrund der unterentwickelten Netzinfrastruktur zwischen Sichuan und den wirtschaftlich stärkeren Regionen Ostchinas mit höherer Energienachfrage entsteht ein Überschuss an günstigem Strom.

Vor dem Verbot des Bitcoin-Minings in China nutzten Miner diesen billigen Überschussstrom in Sichuan während der Sommermonate, bevor sie im Winter in kohlebetriebene Regionen zurückkehrten. Ein vergleichbares Problem zeigt sich in Deutschland: Der Großteil der Windenergie wird im Norden des Landes erzeugt, während die Energienachfrage vor allem in den industriestarken Regionen im Westen und Süden konzentriert ist.

Dieses geografische Ungleichgewicht stellt eine erhebliche Herausforderung für die Energieverteilung dar, und erfordert umfangreiche Investitionen in die Netzinfrastruktur. Während Bitcoin-Mining eine temporäre wirtschaftliche Nutzung für solche Überschüsse bieten kann, reduziert es die Anreize, in dauerhafte Lösungen wie Netzausbau zu investieren, und untergräbt damit langfristig die Energieeffizienz und Nachhaltigkeit.

Zeitliches Missverhältnis

Zweitens gibt es ein zeitliches Missverhältnis, das sich ebenfalls am Beispiel von Deutschland verdeutlichen lässt. In den Mittagsstunden sonniger Tage übersteigt die produzierte Menge an PV-Strom die maximale Nachfragelast. Dies führt zu einem Energieüberschuss, der in negativen Preisen am Energiemarkt resultiert.

Allerdings liefert die installierte PV-Erzeugungsleistung in den Morgen-, Abend- und Nachtstunden kaum oder gar keinen Beitrag zum Stromangebot. In diesen Zeiträumen ist das Stromangebot in Deutschland zu gering, wodurch die Preise auf über 100 € pro Megawattstunde ansteigen und teurer Strom aus dem Ausland importiert werden muss. Dieses Problem könnte durch den Ausbau von Speicherkapazitäten gelöst werden, die es ermöglichen, Überschüsse aus den Mittagsstunden auf andere Tageszeiten zu verteilen.

Ohne ausreichende Investitionen in Energiespeicher wird der Ausbau der Solarenergie die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen in den Abend- und Nachtstunden nicht reduzieren. Wie schon beim geographischen Missverhältnis bietet das Bitcoin-Mining auch hier eine kurzfristige wirtschaftliche Nutzung, die jedoch wiederum die Anreize in die nötigen Speicherkapazitäten zu investieren senkt.

Für eine vollständige grüne Transformation müssen diese Herausforderungen adressiert werden. Bitcoin-Mining schafft jedoch Gegenanreize, da es kurzfristige Gewinne bietet, die jedoch Opportunitätskosten für Investitionen in zentrale Elemente der Energiewende, wie die Speicher- und Netzinfrastruktur, darstellen. Gleichzeitig bestehen erhebliche Umweltbelastungen fort, selbst bei der Nutzung von Überschussenergie.

Politische Maßnahmen nötig

Die sozialen Kosten des Bitcoin-Minings aufgrund erheblicher Umweltbelastungen erfordern unseres Erachtens gezielte politische Maßnahmen. Eine global eingeführte Steuer auf kohlenstoffintensive Stromerzeugung wäre äußerst wirkungsvoll, da sie sowohl die CO₂-Emissionen als auch die Menge an produziertem Elektroschrott senken würde, ohne einen negativen Einfluss auf die Sicherheit des Systems zu haben.

Die Einführung einer solchen Steuer scheint jedoch in naher Zukunft politisch weder durchsetzbar noch implementierbar zu sein. Eine nur lokal erhobene Steuer auf kohlenstoffintensive Energie erweist sich hingegen aufgrund der hohen Mobilität der Miner als ineffektiv, da diese einfach in Regionen mit günstigeren Bedingungen abwandern können. Das könnte dann die Umweltbelastungen des Systems sogar insgesamt noch erhöhen. Dennoch gibt es mehrere Ansätze, die Regulierungsbehörden verfolgen können.

Erstens sollte sichergestellt werden, dass Mining-Aktivitäten in keiner Form subventioniert werden. Geringere Mining-Kosten führen direkt zu einem höheren Ressourcenverbrauch und verschärfen die Umweltbelastung. Zweitens sollten Maßnahmen vermieden werden, die die Marktkapitalisierung von Bitcoin erhöhen. Die Ressourcenintensität des Bitcoin-Systems steht in direktem Zusammenhang mit den Blockbelohnungen, die wiederum von der Marktkapitalisierung der Kryptowährung abhängen.  Beispielsweise sollte die Genehmigung von Bitcoin-ETFs, die Kapitalzuflüsse in den Markt erleichtern, angesichts ihrer Umweltauswirkungen sorgfältig überdacht werden.

Um klarzustellen: Die hier vorgebrachte Kritik richtet sich nicht gegen die Blockchain-Technologie an sich, die zweifellos innovativ ist und enormes Potenzial bietet. Ihre zentralen Prinzipien, wie die Verbindung von Freiheit und Verantwortung, die Schaffung von Vertrauen in dezentralen Systemen, Transparenz und zensurresistente, manipulationssichere Plattformen, sind überzeugend. Allerdings sollte der energieintensive Proof-of-Work Konsensmechanismus von Bitcoin, der für die erheblichen Umweltbelastungen verantwortlich ist, kritisch hinterfragt werden.

Es existieren Alternativen zu diesem ressourcenintensiven Ansatz. Ein prominentes Beispiel ist die Ethereum-Blockchain, die erfolgreich von Proof-of-Work zu Proof-of-Stake gewechselt ist. Dieser Übergang führte zu einer beeindruckenden Reduktion des Energieverbrauchs um 99,988 Prozent. Eine differenzierte Regulierung, die die Umweltauswirkungen unterschiedlicher Konsensmechanismen berücksichtigt, könnte wirkungsvolle Anreize schaffen, weniger energieintensive Modelle zu fördern. Ein solcher Ansatz würde nicht nur Nachhaltigkeitsaspekten Rechnung tragen, sondern auch die Blockchain-Branche zu umweltfreundlicheren und verantwortungsvolleren Innovationen bewegen.

Weitere Informationen finden Sie in der zugrunde liegenden Forschungsarbeit.

Weitere Beiträge zum Thema auf unserem Blog

Stromerzeugung: Deutscher Strommix so sauber wie nie von Prof. Dr. Bruno Burger, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme

Energiewende in Europa: Wasserstoff- und Stromnetze kombinieren von Dr. Fabian Neumann, Technische Universität Berlin

Was verzögert den Ausbau der Windenergie? von Prof. Dr.-Ing. Carsten Fichter und Dr.-Ing. Sandra Peters-Erjawetz, Hochschule Bremerhaven